現(xiàn)代交流調(diào)速

1、電動汽車用異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制研究 西安建筑科技大學(xué)機電工程學(xué)院張肖培張肖培 / 趙洪翠趙洪翠2016.7.501 電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀03 電動汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢電動汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢3.1 鉛酸蓄電池3.2 鎳氫電池3.3 鋰離子電池 3.4 電動汽車電池性能比較3.5 結(jié)論 4.1 直接轉(zhuǎn)矩控制特點4.2 電壓逆變器4.3 電壓空間矢量4.4 電壓空間矢量對轉(zhuǎn)矩的影響4.5 電壓空間矢量對磁鏈的影響 4.6 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本構(gòu)成 目錄目錄02 電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)04 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制隨著科學(xué)技術(shù)的進步，代步工具的環(huán)保性能也逐漸被開發(fā)出

2、來，尤其是在環(huán)境保護意識日益上升的時代，電動車的發(fā)展強勁更是強勢。電動車顧名思義就是通過電力帶動電機運轉(zhuǎn)，電動車類型主要有純電動汽車、混合動力汽車以及燃料電池汽車三類。純電動汽車的發(fā)展瓶頸在于電池的電量有限的問題，電池只能滿足短距離出行?；旌想妱榆嚳梢詮浹a電池電動車的缺陷但是其價格也相當(dāng)昂貴，并且相應(yīng)的后續(xù)服務(wù)并沒有到位燃料電動車尚處于研發(fā)階段，它可以作為節(jié)能電動車最有潛力的機器，但是目前對于燃料電動車的研究尚不成熟，還未建立完善的系統(tǒng)管理。1 1電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀3 / 12電動汽車的核心是電機驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由電機，控制系統(tǒng)，機械減速及傳動裝置，車輪等組成。傳統(tǒng)的電動汽車

3、以直流電機的轉(zhuǎn)矩速度特性滿足牽引要求，速度控制系統(tǒng)簡單，易于操作目前市場上對該技術(shù)的創(chuàng)新主要在于無換向器電機的技術(shù)研究，使其效率、功率密度、運行費用、可靠性和免維護等方面取得突破性進展。感應(yīng)電機研究的時間長，使用歷史久，技術(shù)成熟安全，使用廣泛永磁無刷電機的磁場由永磁材料產(chǎn)生，在電動車的應(yīng)用領(lǐng)域中具有更高的效率和加工密度，使用范圍廣闊開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、系統(tǒng)完善，在電動車的應(yīng)用領(lǐng)域也相當(dāng)廣泛。1 1 電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展電動汽車必須解決好3個方面的關(guān)鍵技術(shù)： 電池技術(shù) 驅(qū)動電機及其控制器 能量管理技術(shù)可以這樣說，電動汽車技術(shù)涉及的范圍廣，是多學(xué)科、多領(lǐng)域的綜合。2 2發(fā)展電動

4、汽車的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)5 / 12電源是制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵之處。對車載電源的基本要求是比能量高,使用壽命長,成本低。目前正在使用和開發(fā)的動力電池主要有以下幾種：鎳鎘電池 鋰電池 燃料電池電池技術(shù)對電動汽車驅(qū)動電機及控制器的最基本要求是啟動轉(zhuǎn)矩大,具有較寬的恒功率范圍，以適應(yīng)電動汽車頻繁啟動和功率變化大的使用要求。此外，要求電機的結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕，以便于安裝，無驅(qū)動噪聲。由于電子技術(shù)的飛速進步，滑差控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等交流電機的調(diào)控技術(shù)日趨成熟，交流電機驅(qū)動系統(tǒng)在電動汽車中已成為主流。近年來，開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)開始在電動汽車中應(yīng)用。開關(guān)磁阻式電機具有效率高、動態(tài)響

5、應(yīng)好、高啟動轉(zhuǎn)矩和低啟動功率等特點,但在降低噪聲和轉(zhuǎn)矩波動、電機模型和控制技術(shù)等方面還需進一步探索。驅(qū)動電機及其控制器一個能對電池進行必要的管理和控制的能量管理系統(tǒng)是電動汽車的智能核心，它包括對電池組容量狀態(tài)的監(jiān)測、終止充放電控制、電池均衡充電控制、減速與制動能量回收控制等。應(yīng)用電動汽車車載能量管理系統(tǒng)，可以更加準確地設(shè)計電動汽車的電能儲存系統(tǒng)，確定一個最佳的能量存儲及管理結(jié)構(gòu)，并且可以提高電動汽車本身的性能。在電動汽車上實現(xiàn)能量管理的難點，在于如何根據(jù)所采集的每塊電池的電壓、溫度和充放電電流的歷史數(shù)據(jù)，來建立一個確定每塊電池還剩余多少能量的較精確的數(shù)學(xué)模型。由于準確可靠的蓄電池模型的建立、電

6、池荷電狀態(tài)(SOC)參數(shù)的監(jiān)測等還有待進一步的提高，因此電動汽車能量管理系統(tǒng)的研究還有許多工作要做。電動汽車能量管理系統(tǒng) 本文首先介紹電動汽車電池的發(fā)展歷程，隨后重點介紹了3種電動汽車動力電池的研發(fā)狀況。3 3電動汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢電動汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢鉛酸蓄電池鎳氫電池鋰離子電池鋰離子電池9 / 12鉛酸蓄電池是目前在汽車領(lǐng)域應(yīng)用得最為廣泛的電池，主要作為內(nèi)燃機汽車內(nèi)部各種電器和電子設(shè)備的電源。鉛酸蓄電池在過去50 a被廣泛應(yīng)用，具有成熟的技術(shù)，可以大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低，價格便宜。盡管新電池技術(shù)不斷地產(chǎn)生，但鉛酸蓄電池至今仍作為動力源但鉛酸蓄電池至今仍作為動力源應(yīng)用于旅游觀光車

7、，電動叉車或者一些短距離行駛的公交車上。應(yīng)用于旅游觀光車，電動叉車或者一些短距離行駛的公交車上。 應(yīng)用于電動汽車的新一代閥控式密封鉛酸蓄電池(valve-regulated lead acid battery, VRLA)不須維護，允許深度放電，可循環(huán)使用;然而VRLA依舊有著鉛酸蓄電池比能量和比功率低的致命弱點，根本原因是金屬鉛的密度大?；旌系碾妱悠囀褂玫幕旌系碾妱悠囀褂玫腣RLAVRLA，但不適于重度混合汽車或純電動車。，但不適于重度混合汽車或純電動車。鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池 鎳氫電池堿性電池由鎳基和堿性溶液電解液構(gòu)成，主要有鎳鎘電池、鎳鋅電池和鎳氫電池3種，其中鎳

8、氫電池最有應(yīng)用于電動汽車的競爭力。鎳氫電池廣泛應(yīng)用受限的原因是其在低溫時容量減小和高溫時充電耐受性的限制;此外，價格也是制約鎳氫電池發(fā)展的主要因素，原材料如金屬鎳非常昂貴。其研制的混合動力客車用動力鎳氫電池組及管理系統(tǒng)己在“北京實施混合動力公共汽車示范項目”中應(yīng)用。鋰離子電池鋰離子電池 鋰離子電池的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括石墨陽極、鋰離子金屬氧化物構(gòu)成的陰極和電解液(有機溶劑溶解的鋰鹽溶液)可以看出，相較鎳氫電池，鋰離子電池具有相對較高的工作電壓和較大的比能量，是鎳氫電池的3倍。鋰離子電池體積小，質(zhì)量輕，循環(huán)壽命長，自放電率低，無記憶效應(yīng)且無污染;電池單個性能指標的數(shù)值范圍跨度大，這是因為鏗離子電池有較多

9、的電極組合，它們在性能上存在一定的差異。鋰離子電池鋰離子電池 不同陰極的鋰電池性能不同。缺點：缺點：指出要將鋰離子電池大量應(yīng)用于電動汽車仍然存在問題，主要是因為多種性能的限制，包括鋰離子電池的安全性、循環(huán)壽命、成本、工作溫度和材料供應(yīng)。鋰離子電池目前以小容量、低功率電池為主，大容量高功率的鋰離子電池尚未大規(guī)模生產(chǎn)，因此針對電池組的電池管理系統(tǒng)中一些不成熟的技術(shù)(如均衡充電技術(shù))是鏗離子電池尚未在電動汽車中廣泛應(yīng)用的重要原因之一。鋰離子電池鋰離于電池技術(shù)的先進性和在新興關(guān)鍵市場(電動汽車領(lǐng)域)的應(yīng)用，己激發(fā)全球范圍內(nèi)的研發(fā)熱潮，因此鋰離子電池勢必將在電動汽車和新能源領(lǐng)域占據(jù)重要位置。目前在電動汽

10、車中，應(yīng)用較多的鋰離子電池是磷酸鐵鋰電池，它具有較好的熱穩(wěn)定性和安全性，同時價格相對便宜。這些因素使磷酸鐵鋰電池成為小型電動汽車和PHEV動力電池首選。然而在鏗離子電池中，磷酸鋰電池的比能量、比功率以及運行電壓相對較低，在大型純電動車應(yīng)用在大型純電動車應(yīng)用方面鈷酸鋰和錳酸鋰電池等更具優(yōu)勢。我國鋰離子電池產(chǎn)量增長快速方面鈷酸鋰和錳酸鋰電池等更具優(yōu)勢。我國鋰離子電池產(chǎn)量增長快速。電動汽車電池性能比較由圖1可以看出，在目前市場上的電池中，鋰離子電池(鋰離子電池和鋰聚合物電池)除在價格和安全性方面處于劣勢以外，其他方面均處于絕對領(lǐng)先地位，有進一步研發(fā)和大規(guī)模應(yīng)用的前景。結(jié)論1)1)鉛酸電池鉛酸電池鉛酸

11、電池雖便宜，并在叉車、觀光車或者短途公共汽車上作為動力源應(yīng)用，但新一代鉛酸電池的比能量和循環(huán)次數(shù)仍存在嚴重的限制。未來使用鉛酸電池來驅(qū)動在高速公路上行駛的電動汽車是不實際的，但價格優(yōu)勢使其在輕度混合或者短途行駛的電動汽車(如觀光車)中仍占一席之地。結(jié)論2 2）鎳氫電池）鎳氫電池 鎳氫電池雖然具有較高的比能量和比功率等優(yōu)點;但由于需要大量使用鎳和鉆其成本較高，鎳鉆的稀缺性會導(dǎo)致其大批生產(chǎn)和使用時價格反而會上漲。目前，它仍然大量地應(yīng)用于混合動力車，隨著鋰離子電池的大規(guī)模生產(chǎn)和成本的降低，鎳氫電池終將退出。例如，日本豐田汽車公司宣布最新一代Prius不再使用鎳氫電池而使用鏗離子電池。3)3)鋰離子電

12、池鋰離子電池目前市場上的電池中，鋰離子電池(鋰離子電池和鋰高聚合物電池)的性能最好，同質(zhì)量的鋰離子電池其能量是鉛酸電池的4-6倍，是鎳氫電池的2-3倍。價格和大功率鋰離子電池的安全性是它的最主要缺點。對于鋰離子電池技術(shù)最大的挑戰(zhàn)是繼續(xù)擴大電池容量，同時保證安全性和循環(huán)次數(shù)不受影響，并降低成本。此外，電動汽車電也的快速充放電能力對于它未來作為風(fēng)電和太陽能等新能源發(fā)電的備用非常重要。具有應(yīng)用前景的還有鋰硫電池。鏗硫電池為二次鋰電池，具有比能量高、成本低、環(huán)境友好的特點。目前己有鋰硫電池產(chǎn)品面世，如美國Sion Power公司的產(chǎn)品，比能量可達350 Wh/kg。4.14.1 直接轉(zhuǎn)矩控制特點直接轉(zhuǎn)

13、矩控制特點直接轉(zhuǎn)矩控制直接是在定子坐標系下分析交流電的數(shù)學(xué)模型、直接轉(zhuǎn)矩控制直接是在定子坐標系下分析交流電的數(shù)學(xué)模型、控制電機轉(zhuǎn)矩和磁鏈，可以省掉矢量旋轉(zhuǎn)變化的復(fù)雜變化與計控制電機轉(zhuǎn)矩和磁鏈，可以省掉矢量旋轉(zhuǎn)變化的復(fù)雜變化與計算。算。直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁場減少了矢量控制中直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁場減少了矢量控制中易受參數(shù)變化影響的問題。易受參數(shù)變化影響的問題。直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念分析模型，是問題簡單。直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念分析模型，是問題簡單。直接轉(zhuǎn)矩控制強調(diào)轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果直接轉(zhuǎn)矩控制強調(diào)轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，用空間矢量分析法直接

14、在定子坐標系下直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，用空間矢量分析法直接在定子坐標系下計算與控制建立電動機轉(zhuǎn)矩。該控制轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，切無超調(diào)。計算與控制建立電動機轉(zhuǎn)矩。該控制轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，切無超調(diào)。電壓逆變器電壓逆變器是交流異步電機控制系統(tǒng)中必不可少的重要組成部分，在交流異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中更是非常的重要，只有電壓型逆變器的輸出才能驅(qū)動異步電機的運行，下面對電壓逆變器進行簡單介紹，逆變器的基本模型如左圖所示。電壓逆變器電壓逆變器控制系統(tǒng)的逆變器如上圖所示，逆變器的每一相的上橋臂和下橋臂的開關(guān)狀逆變器的每一相的上橋臂和下橋臂的開關(guān)狀態(tài)是相反的，將逆變器的三相橋臂綜合考慮就可以得到態(tài)是相反的，將逆變器的三相橋臂

15、綜合考慮就可以得到8 8種開關(guān)狀態(tài)組合種開關(guān)狀態(tài)組合。每一種開關(guān)組合都會對電機產(chǎn)生不同的作用，在本文中可以用Sa、Sb、Sc表示電壓逆變器三相橋臂的開關(guān)狀態(tài)，例如，我們用Sa=1來表示第一相上橋臂處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時第一相的下橋臂就處于關(guān)斷狀態(tài)，相反，當(dāng)Sa=0時，則說明第一相上橋臂是關(guān)斷的，此時第一相的下橋臂則是導(dǎo)通的，三相橋臂的開關(guān)狀態(tài)可以用表所示。電壓空間矢量電壓空間矢量狀態(tài)“1”至“6”可以對應(yīng)六個電壓空間矢量，狀態(tài)“0”和“7”對應(yīng)兩個零電壓矢量。將逆變器的輸出電壓用電壓空間矢量表示：電壓逆變器輸出狀態(tài)對應(yīng)的電壓空間矢量的幅值是一樣的，都為，相臨的電壓空間矢量的夾角都為60度，如圖所示

16、。電壓空間矢量對電機電磁轉(zhuǎn)矩的影響電壓空間矢量對電機電磁轉(zhuǎn)矩的影響研究過程當(dāng)中，轉(zhuǎn)矩的大小與定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和刺痛叫乘積成正比，實際運行中保持定子磁鏈幅值為額定值，轉(zhuǎn)自幅值由負載決定，那么影響電機電磁轉(zhuǎn)矩變化的因素只有定子磁鏈相位角定子磁鏈相位角。在控制的過程中，一般都是利用電壓空間矢量對電機定子磁鏈的作用，調(diào)節(jié)定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，而調(diào)節(jié)定、轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角一般都是通過調(diào)節(jié)定子磁鏈的相位角實現(xiàn)的，所以當(dāng)知道了定、轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角信息，就能夠得到電機轉(zhuǎn)矩的實時信息。研究過程中假設(shè)定、轉(zhuǎn)子磁鏈夾角磁通角，如果此時作用的電壓空間矢量與當(dāng)前定子磁鏈相比較具有超前性時，轉(zhuǎn)矩會隨之增大;當(dāng)

17、作用的電壓空間矢量與當(dāng)前定子磁鏈相比較，是處于對定子磁鏈具有牽制作用狀態(tài)的時候，表現(xiàn)出了一定的滯后性，這個時候電機的轉(zhuǎn)矩會隨之減??；如果此時工作的是零電壓空間矢量，電機的轉(zhuǎn)矩會減小。 電壓空間矢量對電機定子磁鏈的影響電壓空間矢量對電機定子磁鏈的影響 定子磁鏈的表達式 不考慮電機定子電阻的存在電壓空間矢量對電機定子磁鏈的影響電壓空間矢量對電機定子磁鏈的影響定子磁鏈空間矢量頂點的運動方向和軌跡即定子磁鏈的運動方向與軌跡對應(yīng)于電壓空間矢量的作用方向，定子磁鏈的運動軌跡平行于us（t）指示方向。在適當(dāng)?shù)臅r刻依次給出定子電壓空間矢量則得到磁鏈的運動軌跡依次沿邊運動形成正六邊形磁鏈。直接利用逆變器的六中工

18、作開關(guān)狀態(tài)，簡單的得到六邊形磁鏈軌跡以控制電動機，這是DSR控制的基本方法。直接轉(zhuǎn)矩基本結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩基本結(jié)構(gòu) 在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，需要充分了解電壓逆變器的特點?？梢愿鶕?jù)電機的運行狀態(tài)，對逆變器進行調(diào)節(jié)，輸出相應(yīng)的電壓空間矢量從而保證定子磁鏈能按照正常軌跡運行，通過對電機定子磁鏈的觀測和調(diào)節(jié)，達到控制電機轉(zhuǎn)矩的目的，再對電機實時地運行狀態(tài)進行分析，對電壓空間矢量進行選擇來改變電機的定子磁鏈，這樣周而復(fù)始的工作。其結(jié)構(gòu)如圖所示。 . 1)1)電機定子磁鏈和電機轉(zhuǎn)矩的觀測電機定子磁鏈和電機轉(zhuǎn)矩的觀測: :控制系統(tǒng)對電機的一些實時數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)對電機的一些實時數(shù)據(jù)進行采集之后，將采集到結(jié)果進行分析處理以及計算得到定子磁鏈進行采集之后，將采集到結(jié)果進行分析處理以及計算得到定子磁鏈的信息和轉(zhuǎn)矩的信息和轉(zhuǎn)矩; ; 2) 2)磁鏈調(diào)節(jié)器磁鏈調(diào)節(jié)器: :在本次設(shè)計中選用的是磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器，這樣可以在本次設(shè)計中選用的是磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器，這樣可以讓電機的定子磁鏈基本不發(fā)生變化，給出相應(yīng)的控制信號讓電機的定子磁鏈基本不發(fā)生變化，給出相應(yīng)的控制信號; ;3)3)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器: